專利名稱：帶改進(jìn)的輔助燃料空氣噴射的預(yù)混合燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將主和輔助燃料和空氣引入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的預(yù)混合燃料噴射器，并且特別涉及對(duì)傳輸和噴射輔助燃料和空氣有改進(jìn)設(shè)計(jì)的預(yù)混合燃料噴射器。
例如那些使用在發(fā)電廠或工業(yè)動(dòng)力廠中的工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受到氮氧化物(NOx)和其它有害排放的限制。為了減少這些排放，工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了可稱為切向進(jìn)入型噴射器的預(yù)混合燃料噴射器。典型的切向進(jìn)入噴射器的特征是，軸向延伸的中心體和一對(duì)圓弧形渦管，其在前部隔壁和后部隔壁之間軸向延伸。這些渦管從中心體徑向間隔開，以界定環(huán)形預(yù)混合室。渦管還彼此徑向偏置，以形成一對(duì)空氣進(jìn)氣槽，每個(gè)空氣進(jìn)氣槽引入一個(gè)主燃燒空氣流切向進(jìn)入混合室。每個(gè)渦管包括一組將主燃料引入射流空氣流中的軸向分布的燃料射入通道。噴射器的后部隔壁包括將主燃料和空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的排出口，并且排出口的最后端形成了燃料噴射器排出平面。
噴射器中心體包括固定到前部隔壁上的基底，具有平直的向后表面的噴射嵌入件，和大致成截頭錐形的中空殼體。殼體從基底軸向延伸以形成混合室的徑向內(nèi)側(cè)端和輔助空氣供給管道的徑向外側(cè)端。噴射器嵌入件與基底軸向間隔，并適當(dāng)?shù)谋３衷跉んw的后端中，使得其后部的軸向的平直表面與中心體的尾部邊緣以及噴射器的排放平面軸向?qū)R。盡管嵌入件和殼體的后端相互接觸，嵌入件僅固定到輔助燃料供給導(dǎo)管上，該供給導(dǎo)管從基底開始并線性延伸穿過管道。因此，嵌入件在徑向被殼體的后端支撐，而軸向被輔助燃料供給導(dǎo)管支撐。在殼體和嵌入件之間缺乏主動(dòng)連接件使得殼體和嵌入件能對(duì)應(yīng)于不一致的熱變化引起的尺寸變化而彼此軸向滑動(dòng)，從而保護(hù)噴射器不受損壞。這些不一致的尺寸變化發(fā)生的原因是，中心體殼體能夠達(dá)到高達(dá)900°F(480℃)的溫度，而燃料供給導(dǎo)管暴露于不高于200°F(90℃)的溫度下的流體中。結(jié)果，中心體殼體在軸向方向顯著延伸，但燃料供給導(dǎo)管在軸向方向的延伸相對(duì)很小。
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，主空氣和燃料進(jìn)入混合室，繞中心體渦旋，并被充分地混合。渦旋的燃料-空氣混合物軸向流過混合室，穿過噴射排出平面，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，在這里混合物被點(diǎn)燃并燃燒。充分混合的燃料空氣混合物將燃燒火焰溫度均勻地保持在較低溫度，這是抑制NOx生成并促進(jìn)完全清潔的燃燒的必要前提。同時(shí)，輔助空氣流通過基底中的孔進(jìn)入空氣供給管道，且輔助燃料流流入燃料供給導(dǎo)管。噴射嵌入件將輔助空氣和燃料流分成不連續(xù)的，分布合適的空氣和燃料射流，并將這些射流引入燃燒室。輔助燃料和空氣促進(jìn)燃燒火焰被嵌入件的暴露后端阻擋，并被空間穩(wěn)定。結(jié)果，防止了火焰被吸入混合室，在那里吸入的火焰將引起嚴(yán)重的破壞?？臻g穩(wěn)定的火焰還減小了發(fā)生空氣-熱力共鳴的可能，這是一種伴隨空間不穩(wěn)定火焰發(fā)生的現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損壞。最后，由于嵌入件的后表面與中心體的尾部邊緣軸向?qū)R，則被阻擋的，空間穩(wěn)定的燃燒火焰在中心體的外側(cè)完全燃燒，因此避免了對(duì)中心體內(nèi)部的熱損壞。
盡管切向進(jìn)入的燃料噴射器具有如上所述的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但也具有缺點(diǎn)。具體說，在嵌入件和殼體之間缺少主動(dòng)連接件，在利于避免熱引起的損壞的同時(shí)，并不能完全令人滿意地提供可延伸的，無故障的服務(wù)。在嵌入件和殼體的重疊表面之間的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)侵蝕這些表面，并損壞嵌入件和殼體之間的適當(dāng)配合。在磨損過程中，狹窄的環(huán)形間隙在嵌入件和殼體之間擴(kuò)大，使得嵌入件能自由振動(dòng)。振動(dòng)的嵌入件會(huì)使燃料供給導(dǎo)管和中心體基底之間的連接應(yīng)力過大并因此損壞。此外，小量的但未被調(diào)整的輔助空氣經(jīng)過該環(huán)形間隙泄漏，并會(huì)增加排放，或逐漸損壞火焰被保持并阻擋在嵌入件外的能力。另外，如果燃料供給導(dǎo)管沿長(zhǎng)度在某處損壞，嵌入件可能會(huì)從噴射器脫出，從而可能引起對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重的外物損壞。最后，殼體相對(duì)于燃料供給導(dǎo)管的不相等的軸向熱膨脹會(huì)引起嵌入件的后端面軸向縮回殼體中。被阻擋在嵌入件的最后端的燃燒火焰將部分縮進(jìn)殼體中，在那里火焰將引起熱損壞。
因此需要一種預(yù)混合燃料噴射器，能適應(yīng)中心體殼體相對(duì)于輔助燃料供給導(dǎo)管的不一致的尺寸變化，表現(xiàn)出超常的可靠性，防止了其工作特性的減低，并使脫開零件和發(fā)生外物損壞的可能減至最小。
根據(jù)本發(fā)明，預(yù)混合燃料噴射器包括輔助燃料-空氣噴射嵌入件，主動(dòng)地固定到中心體上，并連接到至少在兩個(gè)維度上彎曲的以適應(yīng)不一致的尺寸變化的燃料供給導(dǎo)管上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料供給導(dǎo)管被彎曲，使得其固有頻率超過導(dǎo)管將在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中經(jīng)歷的最大振動(dòng)的頻率。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)管被彎曲成覆蓋約一個(gè)360°的圓周的螺旋形。
本發(fā)明噴射器的主要優(yōu)點(diǎn)是其在適應(yīng)不一致的尺寸變化的同時(shí)，而不受到因噴射器構(gòu)件之間的相對(duì)滑動(dòng)引起的明顯的磨損。必然的優(yōu)點(diǎn)包括使發(fā)生外物損壞的危險(xiǎn)減至最低，長(zhǎng)期保持理想的工作特性，例如較低排放和火焰空間穩(wěn)定性。
下面結(jié)合參照附圖示例性的描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。附圖中

圖1是工業(yè)渦輪機(jī)的預(yù)混合燃料噴射器的透視圖，其被剖開可以示出包括中心體殼體，輔助燃料-空氣噴射器嵌入件和輔助燃料供給導(dǎo)管的中心體；圖2是噴射器中心體后端的放大側(cè)視圖，示出了中心體殼體和燃料-空氣噴射嵌入件之間的關(guān)系；圖3是沿圖1中3-3方向的視圖，示出了輔助燃料供給導(dǎo)管的螺旋形。
參照?qǐng)D1至3，切向進(jìn)入的預(yù)混合燃料噴射器10包括前部隔壁12，和后部隔壁14，具有延伸穿過后部隔壁的燃料-空氣噴射口16。噴射器還包括渦管組件18，其包括一對(duì)在隔壁之間延伸的渦管18a，18b。每個(gè)渦管18a，18b從燃料噴射器軸線22徑向偏置，以形成一對(duì)主空氣進(jìn)氣槽，如槽24。每個(gè)渦管還包括主燃料供給歧管26和軸向分布的一組主燃料噴入通道，如通道28。
噴射器還包括與渦管一起軸向界定一個(gè)環(huán)形混合室34的中心體32。中心體32包括基底36，中空截頭圓錐形殼體38，輔助燃料和空氣噴射嵌入件40和輔助燃料供給導(dǎo)管42?；?6包括輔助燃料出口44，并且被固定到前部隔壁12上。殼體從基底軸向延伸以形成混合室34的徑向內(nèi)側(cè)端和輔助空氣供給管道46的徑向外側(cè)端。如圖2所示，嵌入件40包括具有整體沖擊板54的套殼52，流體分布器56，具有輔助燃料入口的插入件58和端蓋64。流體分布器56包括圓柱形中心開口66和圓錐形腔體68。套殼，分布器和嵌入件一起形成了燃料分布室72和燃料歧管74，通過分布器中的一組燃料分布通道76彼此聯(lián)通。套殼中的輔助燃料通道78與通向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室82的燃料歧管74連接。類似的，沖擊板，端蓋和套殼中的輔助空氣通道84，86，88分別將輔助空氣引如燃燒室。嵌入件40從基底軸向間隔，并且被殼體的后端外接從而使端蓋的平直火焰阻擋表面92與殼體的尾端邊緣或唇部94以及噴射器排放平面96軸向?qū)R。嵌入件通過能密封流體的黃銅連接件98主動(dòng)地固定到殼體上。
輔助燃料供給導(dǎo)管42具有通過第一銅連接件104主動(dòng)地固定到基底36上的入口端102上，以建立燃料出口44和供給管之間的流體聯(lián)通。該導(dǎo)管還具有通過第二銅連接件108主動(dòng)地固定到嵌入件40上的排出端106，以建立供給導(dǎo)管和插入件58的第二燃料入口62之間的流體聯(lián)通。在理論上，連接件104，108中的一個(gè)或兩個(gè)可以是非主動(dòng)連接，即是一個(gè)滑動(dòng)連接，以適應(yīng)殼體38和燃料供給導(dǎo)管42中的不一致的尺寸變化。但在實(shí)際中，僅有主動(dòng)連接件能保證流體緊密封。
燃料供給導(dǎo)管是剛性管，不僅能抵抗由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的損壞，而且能適應(yīng)不一致的尺寸變化，特別顯著的是那些由殼體和燃料供給導(dǎo)管的不同的熱變形引入的尺寸變化。這些要求可以通過至少在兩個(gè)方向上彎曲的導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)，彎曲部分的實(shí)際特征部分取決于在機(jī)器工作過程中導(dǎo)管所處的估計(jì)振動(dòng)頻率范圍。導(dǎo)管是彎曲的，從而其固有頻率盡管不象直導(dǎo)管那樣高，但顯著大于所含能量值被認(rèn)為是相關(guān)的那些振型的頻率。該彎曲還使導(dǎo)管對(duì)應(yīng)不一致的尺寸變化能稍微撓曲。
圖中的實(shí)施例的導(dǎo)管被用在本申請(qǐng)的受讓人制造的工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)中。導(dǎo)管由Inconel625制成，內(nèi)徑為0.180英寸(5mm)，外徑為0.250英寸(6mm)，從燃料出口44到燃料入口62之間直線跨度為約8.2英寸(215mm)。估計(jì)，導(dǎo)管是由具有較大能量容量的450Hz的第一階振型，和具有較低能量容量的更高階(更高頻率)的振型激勵(lì)的。由于振型的相關(guān)能量容量，僅450Hz振型是需要考慮的因素。對(duì)多個(gè)候選構(gòu)型的分析表明，大約9.7英寸(245mm)長(zhǎng)的，在三個(gè)緯度上彎曲并螺旋覆蓋約一個(gè)360°圓周的導(dǎo)管是合適的。就是說，導(dǎo)管將具有約為540Hz的固有頻率，高于相關(guān)頻率約20％，并且能進(jìn)行足夠的撓曲以滿足燃料供給導(dǎo)管和中心體殼體的不一致的尺寸變化。
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，主燃燒空氣流通過空氣進(jìn)氣槽24進(jìn)入混合室34。主氣態(tài)燃料從燃料通道28流出并進(jìn)入射入的空氣流。主燃料和空氣進(jìn)入混合室，環(huán)繞中心體32渦旋，并充分混合。渦旋燃料-空氣混合物軸向流過混合室和燃料-空氣噴射口16，并且進(jìn)入燃燒室82，在燃燒室中混合物被點(diǎn)燃并燃燒。同時(shí)，輔助空氣通過中心體基底36中的孔(未示出)進(jìn)入輔助空氣供給導(dǎo)管，并且通過通道84，86，88流入燃燒室。同時(shí)，來自燃料供給導(dǎo)管的輔助氣體燃料，穿越通過燃料分布室72，燃料分布通道76，燃料歧管74和輔助燃料通道78的通路。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，主和輔助空氣都足夠熱以將中心體殼體的溫度升高到約900°F(480℃)，但是，燃料供給導(dǎo)管42運(yùn)載的燃料處于不大于200°F(90℃)的溫度上，因此仍處于相對(duì)較冷的狀態(tài)。因此，中心體伴隨傳導(dǎo)入(或?qū)С?殼體的熱量而軸向伸長(zhǎng)(或收縮)。在嵌入件和殼體之間的主動(dòng)連接嵌入件相對(duì)于基底36被對(duì)應(yīng)地移動(dòng)。燃料導(dǎo)管稍微撓曲以適應(yīng)該相應(yīng)的位移。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，即具有直的燃料導(dǎo)管，并且嵌入件被燃料導(dǎo)管軸向支撐，被殼體徑向支撐，而并不主動(dòng)固定到殼體上的結(jié)構(gòu)來說，上述噴射器具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在殼體和嵌入件之間少了相對(duì)滑動(dòng)后，消除了可能的磨損，并防止了位于嵌入件的徑向外表面和殼體的徑向內(nèi)表面之間的狹窄環(huán)形間隙的增大。結(jié)果，嵌入件不會(huì)相對(duì)于殼體和過應(yīng)力連接件104振動(dòng)。沒有了磨損出的圓環(huán)可以保證所有的輔助空氣通過嵌入件的適當(dāng)通道被計(jì)量，如期望的那樣，從而不對(duì)排放以及火焰穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面的影響。而且，由于嵌入件的位置相對(duì)于殼體不變，嵌入件的火焰阻擋表面92與殼體的唇邊94保持軸向?qū)R，而不是縮進(jìn)殼體或相對(duì)于導(dǎo)管42伸出。結(jié)果，燃燒火焰被整體地阻擋在殼體的外側(cè)，而不是局部退入殼體中，在那里會(huì)引起嚴(yán)重的熱損壞。最后，公開的結(jié)構(gòu)使外界物體損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的可能減到最小，燃料供給導(dǎo)管的失效損壞并不能使嵌入件擺脫固定?？赡苄苑浅Ｐ〉娜剂瞎┙o導(dǎo)管和銅連接件98的雙重?fù)p壞才能滿足嵌入件脫離固定的要求。
盡管本發(fā)明已被示出并參照實(shí)施例進(jìn)行了說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不背離所附權(quán)利要求提出的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對(duì)本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機(jī)的預(yù)混合燃料噴射器，包括渦管組件；和中心體，從渦管組件徑向間隔，并與渦管組件一起形成了用于將主燃料混合到主空氣流中的混合室，中心體包括具有燃料出口的基底；從基底軸向延伸的殼體，以形成混合室的徑向內(nèi)側(cè)端和輔助空氣供給管道的徑向外側(cè)端；具有燃料入口的嵌入件，嵌入件與基底軸向間隔，被殼體外接并主動(dòng)固定到殼體上；和燃料供給導(dǎo)管，延伸穿過管道，并具有入口端和排出端，導(dǎo)管的入口端通過第一連接件主動(dòng)固定到基底上，以建立燃料出口和導(dǎo)管之間的流體聯(lián)通，導(dǎo)管的排出端通過第二連接件主動(dòng)固定到嵌入件上，以建立導(dǎo)管和燃料入口之間的流體聯(lián)通，燃料供給導(dǎo)管至少在兩個(gè)維度上彎曲，以適應(yīng)殼體和燃料供給導(dǎo)管之間的不一致的尺寸變化。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，其特征在于，第一和第二連接件是能密封流體的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料噴射器，其特征在于，燃料供給導(dǎo)管被具有估計(jì)最大相關(guān)頻率的工作振動(dòng)激勵(lì)，并且導(dǎo)管被彎曲從而使其固有頻率大于相關(guān)的最大頻率。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的燃料噴射器，其特征在于，尺寸的變化是熱變化引起的。
5.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其特征在于，導(dǎo)管在三維上彎曲。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料噴射器，其特征在于，導(dǎo)管以大致螺旋形狀彎曲。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料噴射器，其特征在于，螺旋形狀覆蓋大致一個(gè)360°圓周。
8.一種用于預(yù)混合燃料噴射器的中心體，包括具有燃料出口的中心體基底；從基底軸向延伸的殼體，以形成輔助空氣供給管道的徑向外側(cè)端；具有燃料入口的嵌入件，嵌入件與基底軸向間隔，被殼體外接并主動(dòng)固定到殼體上；和燃料供給導(dǎo)管，延伸穿過管道，并具有入口端和排出端，導(dǎo)管的入口端通過第一連接件主動(dòng)固定到基底上，以建立燃料出口和導(dǎo)管之間的流體聯(lián)通，導(dǎo)管的排出端通過第二連接件主動(dòng)固定到嵌入件上，以建立導(dǎo)管和燃料入口之間的流體聯(lián)通，燃料供給導(dǎo)管至少在兩個(gè)維度上彎曲，以適應(yīng)殼體和燃料供給導(dǎo)管之間的不一致的尺寸變化。
9.如權(quán)利要求8所述的中心體，其特征在于，第一和第二連接件是能密封流體的。
10.如權(quán)利要求8或9所述的中心體，其特征在于，燃料供給導(dǎo)管被具有估計(jì)最大相關(guān)頻率的工作振動(dòng)所激勵(lì)，并且導(dǎo)管被彎曲從而使其固有頻率大于相關(guān)的最大頻率。
11.如權(quán)利要求8，9或10所述的中心體，其特征在于，尺寸的變化是熱變化引起的。
12.如權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的中心體，其特征在于，導(dǎo)管在三維上彎曲。
13.如權(quán)利要求12所述的中心體，其特征在于，導(dǎo)管以大致螺旋形狀彎曲。
14.如權(quán)利要求13所述的中心體，其特征在于，螺旋形狀覆蓋大致一個(gè)360°圓周。
15.一種用于預(yù)混合燃料噴射器的中心體，包括具有燃料出口的基底；從基底軸向延伸的殼體，以形成空氣供給管道的徑向外側(cè)端；具有燃料入口的嵌入件，嵌入件與基底軸向間隔，被殼體外接并主動(dòng)固定到殼體上；和燃料供給導(dǎo)管，延伸穿過管道，并具有入口端和排出端，導(dǎo)管的入口端通過第一連接件主動(dòng)固定到基底上，以建立燃料出口和導(dǎo)管之間的流體聯(lián)通，導(dǎo)管的排出端通過第二連接件主動(dòng)固定到嵌入件上，以建立導(dǎo)管和燃料入口之間的流體聯(lián)通，燃料供給導(dǎo)管被彎曲以適應(yīng)殼體和燃料供給導(dǎo)管之間的不一致的尺寸變化。
全文摘要
一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的預(yù)混合切向進(jìn)入燃料噴射器的輔助燃料－空氣噴射嵌入件通過連接件主動(dòng)地固定到中心體殼體上。輔助燃料供給導(dǎo)管主動(dòng)固定到中心體基底和嵌入件上，并且至少在兩個(gè)維度上彎曲。導(dǎo)管可被彎曲成螺旋形。中心體對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度升高而延伸，引起嵌入件從基底遠(yuǎn)離移動(dòng)。導(dǎo)管的彎曲允許導(dǎo)管稍微撓曲以適應(yīng)該位移。導(dǎo)管的彎曲可使其固有頻率高于導(dǎo)管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中經(jīng)歷的最大振動(dòng)頻率。
文檔編號(hào)F23D14/22GK1239766SQ99108319
公開日1999年12月29日 申請(qǐng)日期1999年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者約翰·J·科曾多爾弗, 杰弗里·D·梅爾曼, 艾倫·J·戈茨丘斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司